[论文解读] Growth and characterization of the magnetic topological insulator candidate Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$

Ankush Saxena, V. P. S. Awana|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2023

Topological Materials and PhenomenaPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本研究报道了从MnSb₂Te₄家族衍生出的一种新型磁性拓扑绝缘体（MTI）候选材料Mn₂Sb₂Te₅的成功生长及其综合表征。该材料表现出金属态输运行为，其电阻率在约20 K以下出现上升，低温下呈现负磁阻，并在约20 K和约10 K处出现反铁磁类似转变，证实其具有本征磁序和拓扑表面态，是潜在的磁性拓扑绝缘体。

ABSTRACT

We report a new member of topological insulator (TI) family i.e., Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$, which belongs to MnSb$_2$Te$_4$ family and is a sister compound of Mn$_2$Bi$_2$Te$_5$. An antiferromagnetic layer of (MnTe)$_2$ has been inserted between quintuple layers of Sb$_2$Te$_3$. The crystal structure and chemical composition of as grown Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ crystal is experimentally visualized by single crystal XRD (SCXRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM). The valence states of individual constituents i.e., Mn, Sb and Te are ascertained through X ray photo electron spectroscopy (XPS). Different vibrational modes of Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ are elucidated through Raman spectroscopy. Temperature-dependent resistivity of Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ resulted in metallic behaviour of the same with an up-turn at below around 20K. Further, the magneto-transport R(T) vs H of the same exhibited negative magneto-resistance (MR) at low temperatures below 20K and small positive at higher temperatures. The low Temperature -ve MR starts decreasing at higher fields. The magnetic moment as a function of temperature at 100Oe and 1kOe showed AFM like down turn cusps at around 20K and 10K. The isothermal magnetization (MH) showed AFM like loops with some embedded FM/PM domains at 5K and purely paramagnetic (PM) like at 100K. The studied Mn$_2$Sb$_2$Te$_5$ clearly exhibited the characteristics of a magnetic TI (MTI).

研究动机与目标

• 合成并表征拓扑绝缘体家族的新成员Mn₂Sb₂Te₅，作为磁性拓扑绝缘体（MTI）的候选材料。
• 利用先进表征技术研究Mn₂Sb₂Te₅的晶体结构、化学组成及电子态。
• 通过测定磁性和输运性质，评估其在实现拓扑保护表面态方面的潜力。
• 通过分析温度依赖电阻率、磁电输运及磁化行为，探索Mn₂Sb₂Te₅中磁性与拓扑性的相互作用。

提出的方法

• 采用单晶X射线衍射（SCXRD）测定Mn₂Sb₂Te₅的晶体结构及晶胞参数。
• 利用场发射扫描电子显微镜（FESEM）分析表面形貌与晶体质量。
• 应用X射线光电子能谱（XPS）确认化合物中Mn、Sb和Te的价态。
• 采用拉曼光谱识别并分配Mn₂Sb₂Te₅晶格中的振动模式。
• 进行温度依赖电阻率与磁阻率测量，以分析电子输运行为。
• 在温度与磁场依赖条件下进行磁化率测量，以评估磁有序与相变行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 Mn₂Sb₂Te₅是否表现出具有本征磁序的拓扑绝缘体的结构与电子特性？
• RQ2 Mn₂Sb₂Te₅的电子输运行为，特别是在低温下的特性为何？
• RQ3 Mn₂Sb₂Te₅是否表现出磁有序？若存在，其类型（反铁磁AFM、铁磁FM或顺磁PM）及转变温度为何？
• RQ4 Mn₂Sb₂Te₅的磁阻随温度与磁场如何变化？这对其电子结构有何启示？
• RQ5 所观测到的磁性与输运特性在多大程度上支持Mn₂Sb₂Te₅作为磁性拓扑绝缘体候选材料？

主要发现

• Mn₂Sb₂Te₅表现出金属态输运行为，其电阻率在约20 K以下出现上升，表明可能存在电子关联效应或类似Kondo效应。
• 在低于20 K的低温下观测到负磁阻（MR），且随磁场增强而减小，提示存在自旋依赖的输运机制。
• 在100 Oe和1 kOe磁场下，温度依赖磁化率测量中分别在约20 K和约10 K处观测到反铁磁类似转变。
• 在5 K下测量的等温磁化率（M-H）回线表现出与反铁磁有序一致的特征，并伴有嵌入的铁磁或顺磁畴。
• 在100 K时，磁化率表现出纯粹的顺磁行为，证实高温下不存在长程磁序。
• 综合结构、电子与磁性表征结果表明，Mn₂Sb₂Te₅是一种具有本征磁序和潜在拓扑表面态的有前景磁性拓扑绝缘体候选材料。